Конспект лекций ДЗЗ. 1. Введение. Дистанционное зондирование Земли. 1 Основы дистанционного зондирования Земли
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
1.5 Радиолокационные и лазерные съемочные системы Принцип действия активных съемочных систем. 2 Принцип действия активных съемочных систем Радиолокационные съемочные системы Принцип действия активных съемочных систем заключается в следующем: на носитель устанавливается передатчик с антенной, который посылает в направлении Земли импульс, и после некоторой паузы выполняется прием отраженного сигнала. Интенсивность отраженного сигнала зависит от дальности и различна для различных типов объектов. 20 1 – антенна 2 – направление движения 3 – зондирующий сигнал 4 – отраженный сигнал 5 – полоса наблюдения 6 – объект Рисунок 13 – Принцип действия радиолокационных съемочных систем Отраженный сигнал вернется назад через интервал времени: ∆t=2L/c, где c – скорость света, L – расстояние от объекта до спутника, 2 учитывается, так как сигнал проходит путь L дважды. Таким образом, измеряя ∆t, можно найти расстояние до объекта. Радиолокатор перемещается вместе с носителем, считывая по строкам сигнал, таким же образом, как и сканеры. 1 6 5 L 4 3 2 21 Важным физическим параметром радарной съемки является поляризация. Поляризация это передаваемый и получаемый сигнал, распространяющийся в определенной плоскости. Поляризационные плоскости обычно бывают горизонтальные H и вертикальные V. HH и VV - одинаковые поляризации или совместные поляризации. HV и VH - перекрестные или непарные поляризации Рисунок 14 – Виды поляризации Вертикально-поляризованная волна будет взаимодействовать с вертикальными стеблями слоя растений Горизонтально-поляризованная волна будет проникать сквозь слой растений. Комбинирование разных поляризаций может улучшать различные классификации, например – определение различных классов растительности. Достоинства радиолокационных съемочных систем + не зависит от облачности, тумана и смены дня и ночи + космические РЛС имеют преимущество глобального доступа, широкого охвата (то есть местности, видимой на земле), регулярного повтора изображений, большого архива данных, низкой стоимости получения данных, приемлемого разрешения изображений + бортовая самолётная РЛС имеет преимущество высокого разрешения H V 22 + применяют для изучения водных поверхностей, определения границ береговых линий, зон подтопления и т.п. Недостатки радиолокационных съемочных систем более низкая разрешающая способность, по сравнению с аэрофотосъемкой и цифровой съемкой стоимость выше, чем аэрофотосъемка и цифровая съемка Лазерные съемочные системы 1 – лазерный сканер 2 – базовая станция GPS 3 – аэрофотоаппарат 4 – навигационная система GPS/IMU Рисунок 15 – Схема воздушного лазерного сканирования Активным элементом лидара является лазер, работающий, как правило, в импульсном режиме с рабочей длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Лазер излучает коротковолновые импульсы, направление распространения которых регулируется оптической системой и сканирующим элементом. В каждом элементарном измерении в процессе сканирования регистрируются наклонная дальность (псевдодальность) до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат сканера. В 1 поверхность Земли 4 носитель 2 3 23 зависимости от модели воздушного лазерного сканера возможна регистрация более одного (до десяти) отражений для каждого единичного импульса, что приводит к увеличению плотности точек лазерных отражений (ТЛО). Отраженный сигнал после приема дискретизируется, то есть преобразуется в цифровой вид. Помимо регистрации пространственных координат точек производится определение интенсивности отраженного сигнала. В состав съемочной аппаратуры входят: лазерный сканер, навигационная система (GPS/IMU), цифровой аэрофотоаппарат и сеть наземных базовых станций. Навигационная система (GPS/IMU) обеспечивает набор элементов внешнего ориентирования для каждого отражения. Аэрофотоаппарат осуществляет получение цифровых аэрофотоснимков. Сеть наземных базовых станций необходима для уточнения пространственного положения носителя во время полета. Достоинства лазерных съемочных систем: + результат съемки - трехмерное цифровое изображение + эффективны при обследовании линий электропередач, городов и т.п. + высокая точность получаемой информации + высокая производительность + высокая оперативность сбора данных + не зависит от сезонных ограничений Недостатки лазерных съемочных систем: высокая стоимость зависимость от состояния атмосферы невозможность его применения при съемке местности с больших высот, снижение точности с увеличением высоты съемки 24 2. Фотограмметрическая обработка одиночных снимков 2.1 Теория построения изображения на фотоснимке. Геометрические и физические свойства снимка. Принципиальная схема построения изображения методом центрального проектирования. Для получения снимка цифрового или фотографического используется оптическая камера. Рисунок 16 – Принципиальная схема АФА Т.о. в обоих случаях изображение строится оптическим путем. Очевидно, качество изображения определяется объективом. Идеальный объектив соответствует следующим условиям: гомоцентрический пучок лучей останется гомоцентрическим после прохождения объектива, то есть точка изобразится точкой; плоскость перпендикулярная оси объектива изобразится плоскостью перпендикулярной этой оси. плоский предмет перпендикулярный оптической оси изображается подобно самому объекту. Для изучения свойств снимка необходимо знать сущность построения изображения объективом. H и H’ – главные передняя и задняя плоскости объектива S и S’ – передняя и дальняя узловые точки объектива F и F’ – передний и задний фокусы объектива F 0 и F 0 ’ – передняя и задняя фокальные плоскости объектива оптическая ось a H’ A B b S’ H S F 0 ’ F’ F F 0 прикладная рамка объектив корпус фотоматериал или матрица ПЗС 25 SF=f объектива =S’F’ фокусное расстояние объектива Рисунок 17 – Построение изображения объективом От любой точки объекта идет пучок лучей. Изображение строят лучи идущие параллельно оптической оси, проходящие через передний фокус и переднюю узловую точку объектива. Оптическая камера предназначенная для фотографической или цифровой съемки всегда отфокусирована на бесконечность следовательно в этих камерах изображение будет строится в фокальной плоскости. Тогда рис. будет выглядеть другим образом Рисунок 18 - Построение изображения объективом в аэрокамере Из рисунка 18 видно, что для построения изображения в фокальной плоскости достаточно знать ход лучей через переднюю и заднюю узловые точки объектива. Так как эти лучи входят и выходят под одним и тем же углом, то можно переднюю и заднюю главные плоскости объектива совместить. Суть построения от этого не изменится. Рисунок 19 – Схема построения изображения в АФА SO – фокусное расстояние объектива снимок E o S O A c a b B C оптическая ось a H’ A B b S’ H S F 0 ’ F’ F F 0 26 В идеале фокусное расстояние объектива совпадает с фокусным расстоянием фотокамеры – расстояние от задней узловой точки объектива до прикладной рамки. OSo – оптическая ось o – главная точка снимка OSo перпендикулярно P E – горизонтальная плоскость abc – изображение ABC на снимке Согласно теории идеального снимка изображение abc будет подобно объекту ABC. Очевидно, что при аэросъемке SO=H – высота фотографирования. Отношение размера изображения на снимке к размерам самого объекта называется масштабом снимка. Из ΔSca и ΔSCA ΔSba и ΔSBA и т.д. Можно записать, что H f m 1 Выводы: Фотографическое изображение строится в центральной проекции. Центральная проекция – это способ построения изображения прямолинейными лучами, проходящими через 1 точку. Центр проекции – узловая точка объектива. Предметная плоскость – плоскость, в которой находится объект. Плоскость картины – плоскость, в которой стоят изображение. Элементы центральной проекции и их свойства. Чтобы вести обработку снимков надо знать законы построения изображений. Если снимок и предметная плоскость параллельны, а объект плоский, то изображение подобно объекту и никаких углов учитывать не надо. В реальности предметная плоскость никогда не бывает горизонтальной, а снимки во время полета получают углы наклона. Очевидно, что изображение на таком снимке не будет подобно объекту. Так как 27 изображение строится по закону центральной проекции, то и преобразовываться оно будет по этому же закону. Рассмотрим основные элементы центральной проекции и её свойства. Рисунок 20 – Элементы центральной проекции α 0 – угол наклона снимка Е – предметная плоскость Р – плоскость картины (снимок) S – центр проекции So=f – фокусное расстояние о – главная точка снимка n – точка надира c – точка нулевых искажений O,C, N – тоже в предметной плоскости ТТ – основание картины Q – плоскость главного вертикала (через S перпендикулярно ТТ и Е) vocnv – главная вертикаль (след сечения Р плоскостью Q) α 0 S h c f O C N n c o α 0 h c T E v P i I i v V T 28 iIi – линия истинного горизонта (след сечения Р горизонтальной плоскостью проходящей через S) vV – линия направления съемки Свойства точек центральной проекции о – её положение всегда известно на снимке, от неё производятся все построения. с – углы на снимке с вершиной в этой точке и в предметной плоскости с вершиной в точке С всегда равны, направления проведенные через точку с не искажаются. n – линии перпендикулярные предметной плоскости изображаются сходящими в этой точке, точки лежащие выше или ниже предметной плоскости на снимке смещаются по направлениям к n или от неё. I – линии параллельные vV изображаются сходящимися в точке I, линии параллельные между собой произвольно расположенные в предметной плоскости изображаются сходящимися в боковых точках схода на линии истинного горизонта. vv – на ней происходят мах смещение точек за влияние угла наклона. При этом масштаб меняется от 1 до бесконечности. h c h c – линия проходящая через с перпендикулярно vv – линия неискаженных масштабов. 2.2 Системы координат применяемые в фотограмметрии. Плоская система координат снимка. Пространственная система координат точек снимка. Геодезическая система координат. Фотограмметрическая система координат . Известно, что фотограмметрия изучает количественные и качественные характеристики объектов по их изображениям. Очевидно, что для этого нужно найти зависимость между точками объекта и снимка. Для этого нужно иметь координаты точек на снимке и местности. Практически могут использоваться любые системы координат, однако, предпочитают для объекта использовать те системы координат, которые используются при 29 натурном изучении, а для снимка использую систему, связанную со снимком и АФА. Для снимков используют: 1. Плоская система координат точек снимка. В этой системе за начало принимают главную точку снимка о, а направление осей задают координатные метки, которые выгравированы на прикладной рамке АФА. Рисунок 21 – Плоская система координат снимка Так сделать координатные метки так, чтобы оси проходили через о невозможно, то действительная т. о будет лежать в стороне от точки пересечения осей координат. Положение т. о в плоской системе координат будет задаваться координатами 0 0 y x . Таким образом, измеренные на снимке координаты a a y x , равны 0 0 ; y y y x x x a a 2. Пространственная система координат точек снимка. Это пространственная прямоугольная правая система координат. Она может быть задана как угодно в зависимости от решаемой задачи, но наиболее распространена система, в которой начало берут в т. S, а направления осей близкое к направлению осей снимка, а ось Z близка к отвесу. а o y а о’ x а y x 30 Рисунок 22 – Пространственная система координат снимка ' ' ' a a a Z Y X – пространственные координаты точек снимка. Системы координат объекта: 1. Система координат Гаусса. Это поперечно-цилиндрическая проекция с 6 и 3 градусными зонами. Для небольших участков плоские координаты Гаусса XY могут рассматриваться как прямоугольные ортогональные, тогда отличие от фотограмметрической системы будет заключаться в том, что фотограмметрическая система правая, а геодезическая левая. Рисунок 23 – Геодезическая система координат Высоты геодезической системы отсчитываются от уровня поверхности, а в фотограмметрической от плоскости XY. Для перехода от X г Y г Z’ Y a ’ a o S Y’ X’ X a ’ Z a ’ 31 фотограмметрической высоты к геодезической необходимо ввести поправку за кривизну Земли. 2. Фотограмметрическая система координат. Аналогична рассмотренной ранее, может применяться как для снимка так и для объекта местности. Рисунок 24 – Фотограмметрическая система координат 2.3 Элементы ориентирования одиночного аэрофотоснимка. Элементы внутреннего ориентирования снимка. Элементы внешнего ориентирования снимка. Чтобы установить связь между координатами точек снимка и местности необходимо знать положение точки фотографирования ( S S S Z Y X ), положение снимка относительно т. S – f y x 0 0 , и угловое ориентирование снимка относительно заданной системы координат – фотограмметрической или геодезической. Для этого введены понятия элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимков. Элементами внутреннего ориентирования снимка называются координаты главной точки f y x 0 0 и фокусное расстояние, которые определяют положение центра проекции (т. Z’ Y a ’ a o S Y’ X’ X a ’ Z a ’ А 32 фотографирования) относительно системы координат снимка oxy . Угловыми элементами внешнего ориентирования называются углы Эйлера, которые определяют положение системы координат снимка относительно внешней системы координат (геодезической, фотограмметрической, геоцентрической). Рисунок 25 – Угловые элементы внешнего ориентирования снимка Если повернуть координаты снимка на эти углы, то она совпадет с системой координат SXYZ. – угол между осью Z и проекцией главного луча Sо на плоскость SXZ. – угол между главным лучом Sо и его проекцией на плоскость SXZ. – угол между осью y и следом сечения снимка плоскостью проходящей через ось SY и главный луч. К элементам внешнего ориентирования помимо угловых относятся и линейные S S S Z Y X 2.4 Связь плоских и пространственных координат точек снимка Вывод формул связи плоских и пространственных координат точек снимка y x, – плоские координаты, измеренные в плоской системе координат снимка. Координаты точек объекта определяются в какой-то внешней S x y Y X Z 33 системе координат. Очевидно, чтобы найти зависимость между координатами точек снимка и местности их нужно преобразовать в одну систему координат. Наиболее распространенная формула связи координат двух систем 2 2 2 3 2 1 3 2 1 3 2 1 1 1 1 Z Y X c c c b b b a a a Z Y X c b a , , – косинусы углов между осями двух систем. Рисунок 26 – Углы определяющие положение одной системы координат относительно другой Чтобы определить между какими осями берут углы, составим таблицу. 2 X 2 Y 2 Z 1 X 1 1 cos a 2 2 cos a 3 3 cos a 1 Y 4 1 cos b 5 2 cos b 6 3 cos b 1 Z 7 1 cos c 8 2 cos c 9 3 cos c c b a , , – определяют положение одной системы координат относительно другой. 1 1 1 2 3 2 2 2 1 2 3 2 2 2 1 2 3 2 2 2 1 c c c b b b a a a 0 0 0 3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 1 1 c a c a c a b c b c b c b a b a b a Из формул следует, что c b a , , – зависимые величины и могут быть выражены через три угла которые однозначно определяют положение одной системы координат относительно другой их называют углами Эйлера. X 2 O X 1 Z 2 Z 1 Y 2 Y 1 3 2 1 34 Рисунок 27 – Связь двух систем координат SXYZ – внешняя система координат oxy – система координат снимка Sx’y’ – система координат снимка с началом в т. S x,y – плоские координаты точки а x’,y’,z’=f – координаты т. а в системе Sx’y’ X’,Y’,Z’ – пространственные координаты т. а в системе координат SXYZ Чтобы координаты точки объекта XYZ и точки снимка были в одной системе надо от координат x’,y’,z’ перейти к X’,Y’,Z’. ' ' ' ' ' ' 3 2 1 3 2 1 3 2 1 z y x c c c b b b a a a Z Y X Так как x’=x,y’=y,z’=-f, то опустим индексы, а также что главная точка на снимке может не совпадать с истинной и координаты её x 0 ,y 0 f y y x x c c c b b b a a a Z Y X 0 0 3 2 1 3 2 1 3 2 1 ' ' ' f c y y c x x c Z f b y y b x x b Y f a y y a x x a X 3 0 2 0 1 3 0 2 0 1 3 0 2 0 1 ) ( ) ( ' ) ( ) ( ' ) ( ) ( ' S x y Y X Z z’ y’ x’ Y’ X’ Z’ a y x |